 Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2013, 2, 225-231 http://dx.doi.org/10.12677/hjce.2013.24039 Published Online September 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjce.html) Monitoring Analysis of Retaining Structures of Excavation Pit of Qingchun Road River-Crossing Tunnel in Hangzhou Zhengang Dong1, Zongliang Li2 1Hangzhou Qianjiang New City Construction and Management Commission, Hangzhou 2Hangzhou Qingchun Road River-Crossing Tunnel Co., Ltd., Hangzhou Email: lizongliang@insigma.com.cn Received: Jul. 2nd, 2013; revised: Jul. 25th, 2013; accepted: Aug. 9th, 2013 Copyright © 2013 Zhengang Dong, Zongliang Li. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: In situ monitoring demonstrates that the maximum horizontal displacements of the retaining structures are closely related to the excavation depth and time during excavation of the foundation pit. When multiple supports are applied, the axial forces of the supports fluctuate with increase of longitudinal length and depth of the excavation pit. Axial forces of the supports are significantly influenced by changes of external conditions such as temperature and rainfall. In addition, they are also greatly impacted by the set-up and removal of steel supports of the adjacent pit. The changes in ground water table resulting from dewatering and seepage are the main factors inducing settlement of ground surface. Displacements of the supports and the ground surface can be well controlled by in-time set-up of the sup- ports, quick built-up of the basement and decreasing of stand-up duration. Field practice reveals that the implementa- tion of two independent monitoring systems is essential during construction of large and deep excavation pits in com- plex ground conditions. Timely and effective monitoring gives a strong support to real-time acquirement of the condi- tions of the structures, in-time implementation of corresponding countermeasures and successful complement of the project. Keywords: River-Crossing Tunnel; Retaining Structure; Monitoring; Analysis 庆春路过江隧道基坑围护结构监测分析 董振刚 1，李宗梁 2 1杭州市钱江新城建设管理委员会，杭州 2杭州庆春路过江隧道有限公司，杭州 Email: lizongliang@insigma.com.cn 收稿日期：2013 年7月2日；修回日期：2013年7月25 日；录用日期：2013 年8月9日 摘 要：通过监测分析表明，在深基坑开挖过程中，围护体的最大水平位移与开挖深度和开挖时间密切相关， 在多道支撑工况下，支撑轴力随开挖纵向长度增加、开挖深度增加呈波动变化，环境温度明显变化和强降雨等 因素对支撑轴力的影响明显，邻近基坑的支撑架设与拆除对支撑轴力有较大影响，基坑周边地下水位变化是影 响地表沉降的主因，及时架设支撑、尽快完成底板结构、减少基坑暴露时间在控制围护体位移的同时能有效控 制地表沉降。工程实践表明，复杂地质条件下大型深基坑建设，建立两套相对独立的监测系统非常必要，有效 的数据信息为建设者实时掌握结构工况、及时采取相应措施、顺利完成工程建设提供了重要保障。 关键词：过江隧道；围护结构；监测；分析 Copyright © 2013 Hanspub 225  庆春路过江隧道基坑围护结构监测分析 Copyright © 2013 Hanspub 226 1. 引言 有关 SMW工法的研究成果[3-5]大多涉及其方案 设计、施工方法、施工技术的分析与研究，而详细的 监测分析[3]却鲜见报导。由于SMW 工法的自身特性， 现场监测是保障基坑工程安全可靠的重要措施，也是 信息化设计与施工的前提[6]。 在我国目前施工的大型深基坑工程中，围护结构 多采用地下连续墙、排桩、咬合桩、SMW 工法等型 式[1]，在地铁车站、隧道等超深基坑中选择 SMW 工 法作为主要围护结构仍非常慎重。SMW 工法因具有 对周围环境影响小、止水性能好、适用范围广、施工 工期短、造价低等优点[2]，在基坑围护方案中具有一 定优势。SMW 工法是在水泥土搅拌桩内插入 H型钢 或其他种类的劲性材料，从而增加水泥土桩抗弯、抗 剪能力，并具有挡水、挡土功能，该工法具有工艺简 单、施工期短、成本低廉等特点，在基坑围护方案比 选中具有相对优势。但是 SMW工法形成的水泥土墙 体受抗弯性能以及插入比等因素影响，很难在超深基 坑使用。 2. 工程概况 庆春路过江隧道北接杭州市庆春东路，南连萧山 区市心北路，采用双向四车道，计算行车速度 60 km/h，匝道设计车速 40 km/h；道路等级为城市主干 道，拟车道宽度分别为 3.75和3.50 m，通行净高 4.5 m。 隧道总长3765 m，其中江中盾构段长 1766 m，江南、 江北岸上段均采用明挖施工。该场地内土层工程地质 分层详见表 1，其土层分布情况如图 1所示。 Table 1. Soil layers at site 表1. 场地工程地质分层表 土层编号 ① ②-1 ②-2 ③-1 ③-2 ③-3 ③-3 夹 ④ ⑤-1 ⑤-2 夹 土层类别 素填土 砂质粉土 粉土夹淤 泥质土 粉砂夹粉土 砂质粉土 粉砂夹粉土 粉土夹淤 泥质土 淤泥质粉 质粘土 粉质粘土 粉、细砂 土层编号 ⑥-1 ⑥-2 ⑦-1 ⑦-2 ⑦-2 夹 ⑧-1 ⑧-2 ⑧夹 ⑨-1 ⑨-2 土层类别 粘土 粉质粘土 含粉砂粉 质粘土 粉、细砂粉质粘土夹粉砂圆砾 卵石 粉质粘土 夹细砂 含砾砂岩 含砾砂岩 Figure 1. Typical geology profile 图1. 典型地质剖面图  庆春路过江隧道基坑围护结构监测分析 沿线水文地质条件，工程范围场地地下水因含水 介质、水动力特征及其赋存条件的不同，其补、迳、 排作用和水化学特征均各有不同。松散岩类孔隙潜水 含水层主要赋存于场区浅部人工填土及其下部粉、砂 性土层内，含水层底板大致以④层淤泥质粉质粘土层 为界，其富水性和透水性具有各向异性，分布广泛且 连续。特别是表部填土层，透水性良好，下部粉性土 层透水性弱，江南岸区段含水层厚度为 18.1~21.0 m。 江南段抽水试验：当降深 2.17 m时，单井涌水量为 1.57 m3/d。孔隙潜水与钱塘江水体水力联系密切，动 态变幅一般在1~3 m 左右。勘察期间实测潜水位埋深 0.70~3.10 m，相对于标高为2.86~6.07 m，平均水位标 高为 3.75 m。 3. 围护结构型式 根据基坑开挖深度、地质情况、场地条件、环境 条件以及施工条件，按照安全可靠、技术可行、施工 方便、经济合理的原则，根据不同工况的设计要求， 分段采用合理的支护体系。 江北段明挖段对于基坑深度小于4.0 m的地段， 设计采用 1:1 放坡开挖的型式(LK0 + 415—LK0 + 505)；LK0 + 505—LK1 + 200 段基坑顶先用 1:0.75 坡 度放坡 2 m后再采用 SMW围护结构型式，江北段周 围环境复杂，桩的嵌固深度适当加大；LK1 + 200— LK1 + 319段为荒地，地质情况也较好，基坑采用放 坡开挖坡面喷锚支护。 江南明挖段工作井南端头因挖深达到26.32 米， 采用地下连续墙围护结构 +地 连墙 基坑外侧 土方 卸载 15.5 米 + 三道 Φ609 钢支撑+止水帷幕；盾构始发段 (LK3 + 132.723~+440 = RK3 + 130.254~+434.084)开 挖深度 21.71~17 M，采用三级放坡大开挖 + 喷射砼/ 钢筋网片 + SMW 工法桩 H型钢插二跳一 + 两道 Φ609 钢支撑；开挖深度在 17~12 米段，采用三级放 坡大开挖 + 喷射砼/钢筋网片 + H型钢(700 × 300 × 13 × 24)；后续段采用全面放坡打开挖的＋喷射砼/钢 筋网片。江南大开挖的同时设置可靠连续的基坑降 水，包括承压水降水井和疏干降水井。 4. 工程监测 考虑到本工程的基坑开挖规模巨大，采用结合降 水放坡的复合式基坑围护体系，基坑围护结构在作业 期间的稳定性和安全性至关重要，因此采取两套独立 监测系统，施工监测系统外由建设单位单独委托进行 第三方监测，抽取施工监测系统的典型断面进行同步 监测，同时在重要部位设置独立监测断面，第三方监 测系统取得的监测数据与施工监测数据同步上报、对 比分析并相互印证。 4.1. 主要监测内容、范围和频率 监测范围包括工程主体和周边工程环境(建构筑 物、管线、道路地表等)。基坑开挖时周边环境监测范 围为：基坑结构外侧 2倍开挖深度；盾构施工时周边 环境监测范围为：区间结构外侧算起 2倍埋深(埋深等 于区间结构顶离地表距离)；隧道左、右线的监测范围 为施工面前后各50 米。监测内容如表2所示，监测 频率如表 3所示。 特殊情况下的监测频率，当出现下列情况之一 时，应加强监测，提高监测频率：监测数据达到报警 值；监测数据变化量较大或者速率加快；存在勘察中 未发现的不良地质条件；超深、超长开挖或未及时加 撑等未按设计施工；基坑及周边大量积水、长时间连 续降雨、市政管道出现泄漏；基坑附近地面荷载突然 增大或超过设计限值；支护结构出现开裂；周边地面 出现突然较大沉降或严重开裂；邻近的建(构)筑物出 现突然较大沉降、不均匀沉降或严重开裂；基坑底部、 坡体或支护结构出现管涌、渗漏或流砂等现象；基坑 工程发生事故后重新组织施工；出现其他影响基坑及 周边环境安全的异常情况。 Table 2. Monitoring items 表2. 监测项目表 序号 监测项目 类别 1 建（构）筑物沉降、倾斜 2 基坑外管线、建筑物沉降 3 基坑外道路及地表沉降 4 防汛大堤沉降、倾斜、位移等监测 5 坑外水位观测 基坑开挖、隧道施工 周边环境 6 SMW 工法桩冠梁顶及 坡顶水平位移及沉降 7 围护结构桩（墙）体变形 8 支撑轴力 基坑开挖围护结构体系 Copyright © 2013 Hanspub 227  庆春路过江隧道基坑围护结构监测分析 Table 3. Reading frequency during construction 表3. 施工期间的监测频率 监测项目 监测频率 施工开始挖土前 2次 墙顶水平位移、沉降监测 基坑开挖时 1~2 次/天， 主体施工时 1次/天 周边建筑物、管线、 防讯堤变形 基坑开挖时 1~2 次/天， 主体施工时 1次/天 支撑轴力 基坑开挖后 1~2 次/天 围护墙(桩)钢筋应力 基坑开挖时1次/天， 主体施工时 1次/2 天 水位监测 基坑开挖时 1~2 次/天， 主体施工时 1次/2 天 格构柱竖向沉降 基坑开挖时 1次/天， 主体施工时 1次/2 天 围护墙水平位移监测(测斜) 基坑开挖时 1次/天， 主体施工时 1次/2 天 4.2. 监测巡视 1) 对开挖面地质情况巡视以下内容： a) 土层性质及稳定性。包括：土质性质及其变化 情况(土质密实度、湿度、颜色等性质，分布情况，与 地质核查结果和设计条件的差异情况)；土体塌落(塌 落位置、塌落体大小、发展趋势、塌落原因等)。 b) 降水效果。包括：抽降水控制效果、降水井抽 水出砂量、变化情形及持续时间、附近地面沉陷情况 等。 2) 对支护结构体系巡视以下内容： a) 支护体系施作及时性情况。 b) 渗漏水情况。包括渗漏水量、是否伴有砂土颗 粒、发生位置、发展趋势等。 c) 支护体系开裂、变形变化情况。包括桩顶与冠 梁脱开现象，冠梁开裂范围、宽度与深度，桩间网喷 护壁开裂情形；支撑扭曲及偏斜程度、发生位置、发 展趋势；混凝土腰梁开裂、腰梁与土体脱开情况、及 发生位置。 3) 对基坑周边巡视以下内容： a) 坑边超载。包括坑边荷载重量、类型、与坑缘 距离、面积、位置等。 b) 地表积水。包括积水面积、深度、水量、位置、 地面硬化完好程度、坡顶排水系统是否合理及通畅等。 4.3. 正文建立第三方监测系统的意义 第三方监测系统促进工程建设安全技术管理工 作的系统化、规范化和信息化，最大限度地规避风险， 避免人员伤亡和环境损害，降低工程经济和工期损 失，为工程建设提供安全保障服务。第三方监测系统 在施工过程中对周边环境、工程本体实施独立、公正 的监测抽检工作，基本掌握周边环境、围护结构体系 和围岩的动态，验证施工方的监测数据，为建设单位、 监理、设计、施工单位提供参考依据。第三方监测系 统为工程建设风险管理提供支持，通过监测抽检、安 全巡视和监测管理服务工作，较全面地掌握各工点的 施工安全控制程度，为信息管理平台提供基础数据， 对施工过程实施全面监控和有效控制管理。作为独立 的监测方，其监测数据和相关分析资料可成为处理风 险事物和工程安全事故的重要参考依据。积累资料和 经验，为今后的同类工程设计提供类比依据。 5. 监测分析 为有效控制基坑开挖对周围环境的影响，同时现 为信息化设计与施工提供依据[6]，基坑施工过程中， 就围护结构的水平位移、钢支撑轴力、地表沉降、地 下水位等进行了监测，得到了一些有益的参量变化规 律。因本工程基坑过于长大(约900 m)，选取有代表 性的节段，其监测点平面布置如图2所示。 5.1. 江北基坑围护体水平位移监测结果分析 选取 CX18和CX19两个测斜孔采集的数据进行 分析，自基坑未架设支撑前至基坑内结构施工完成 后，基坑围护体水平位移监测结果如图 3所示。 Figure 2. Layout of monitoring site of foundation pit 图2. 基坑监测点平面布置示意图 Copyright © 2013 Hanspub 228  庆春路过江隧道基坑围护结构监测分析 Copyright © 2013 Hanspub 229 Figure 3. Relationship curves of horizontal displacement vs. depth (2009) 从图 3中可以看出，在基坑开挖过程中，围护体 的最大水 板以下桩 江北基坑钢支撑轴力监测结果分析 现场钢支撑架设如图 4所示，选取 A-A和B-B 两个典型 5 支撑的架 图3. 两个典型测斜孔水平位移–深度关系曲线(2009 年) 平位移与开挖深度及时间密切相关。钢支撑 架设前最大水平位移基本发生在围护体顶部。但随着 基坑开挖深度的增加，围护体水平位移逐渐增大，最 大水平位移发生位置也逐渐下移，且总体表现为中间 大、两端小的趋势。支撑架设后，围护体水平位移明 显减小，说明支撑的架设能很好地控制围护体的变 形。图中所示在施加支撑后围护体水平位移变为负值 情况，经分析认为该测点位于节段的端部，与其邻近 基坑的支撑架设与拆除对其造成影响所致，且降雨造 成的土体应力变化与粉砂土渗流也有一定影响。 从图中可以看到在基础底板浇注完成后，基础底 Figure 4. Site photo of steel supports 图4. 现场钢支撑架设图 体水平位移明显减小，基础底板的存在能很 好限制底部桩体的变形。支撑拆除后，基坑围护桩体 水平位移明显增大。因此，在拆除支撑时应采取必要 的保护措施，防止出现意外。主体结构完成后，桩体 的水平位移总量及增量均有显著减小，经分析认为结 构完成后土体回填限制了桩体位移的发展。支撑的架 设及内部结构施工对围护体的水平位移控制作用明 显。 5.2. 断面，其钢支撑轴力随时间变化如图 所示。 从图 5中可以看到主要是第二道钢支撑受力，钢 设对其相邻支撑会产生明显的影响，并且随 开挖长度和深度的增加、施工及气温的影响，第二道 支撑的轴力逐渐增大，呈现波动变化。图中钢支撑轴 Figure 5. V ar i a ti on curves of a x i al force vs. t im e 图5. 两个典型断面支撑轴力随时间变化曲线  庆春路过江隧道基坑围护结构监测分析 力发生 ，围 坑地表沉降监测结果分析 ，其地表 沉降 着密 明显变化处，经分析认为该期间持续降雨 护结构外侧水土压力增加，又恰逢该期间气温明显下 降，部分支撑因温度明显变化导致轴力变化幅度较 大。在底板结构完成且第三道支撑拆除后，第二道支 撑的轴力明显增加；在邻近基坑支撑拆除过程中第二 道支撑的轴力也呈现明显波动变化。因此在架设或拆 除支撑过程中，应加强对轴力变化监测，防止轴力突 变对基坑稳定性造成影响。本监测段中钢支撑轴力只 达到设计值的45.7%，68.6%左右，曾有工程实测值是 设计值的 2.25~3.3 倍[7]，说明钢支撑轴力还有足够的 安全储备。 5.3. 江北基 选取 A-A 和B-B 两个断面共 6个测点 监测结果如图 6所示。从图6中随着基坑逐步开 挖，地表沉降逐渐增大沉降值一般为 20~60 mm。在 底板浇筑以后，各监测点的沉降值趋于稳定。 基坑周边地表沉降与地下水水位变化也有 Figure 6. Variation curves of settlement vs. time 图6. 典型断面地表沉降随时间变化曲线 切关系 而增 挖范围共设置了 5个 监控 论 践表明，本工程超深基坑选择降水放坡结 合S 的监测分析，认为在深 基坑 力的监测分析，认为在多道支 撑的 。地面 降随着基坑内外地下水位的下降沉 加，地面沉降也会在地下水位稳定时趋于稳定。本工 程明挖段开挖土层以粉砂性土为主，渗透系数较大， 水将会对基坑产生很大的影响。基坑开挖时容易发生 粉土流失而对基坑开挖产生很大影响，因此，在基坑 开挖过程中采取有效措施控制基坑周围水位变化，对 控制土体变形和围护结构的稳定具有重要意义。尤其 在降雨过程中，应增加监测密度，及时掌握基坑变形 情况，并做好防范与应急措施[8]。 5.4. 江南基坑监测结果分析 在江南基坑现已施工段的开 断面，60 个地表沉降监测点，60个土体水平位 移观测点，20 个墙顶沉降监测点，20个墙顶水平位 移监测点，20 个测斜孔，20个水位观测孔，16 组轴 力计等。根据监测数据分析，施工期间地表沉降最大 值为 56 mm，未出现报警值；土体水平位移最大值为 42.8 mm，日均变量均在3 mm 以下；基坑钢支撑轴力 变化与施工工况相符，均未超过支撑轴力设计值[9]。 本段超深基坑自开挖至主体结构完成，历时 112 d， 施工过程中降水效果良好，基坑变形稳定，工程监测 为基坑安全提供了可靠的信息，确保了深基坑建设安 全。 6. 结 工程实 MW 工法的围护结构是成功的，期间工程监测发 挥了重要作用，两套平行监测系统客观反馈了围护结 构、周边土体、地下水位、支撑内力等数据信息，为 建设者能实时掌握结构工况、及时采取相应措施提供 了重要保障。同时通过监测分析对粉砂质地层条件下 深基坑施工提出以下建议： 1) 通过对围护体水平位移 开挖过程中，围护体的最大水平位移与开挖深度 可开挖时间密切相关，随开挖深度增加，围护体水平 位移渐大，最大水平位移发生位置随开挖深度增加而 渐下移，支撑的架设及主体结构完成能非常有效地限 制围护体水平位移。 2) 通过对钢支撑轴 工况下，第二道支撑轴力明显大于第三道支撑轴 Copyright © 2013 Hanspub 230  庆春路过江隧道基坑围护结构监测分析 Copyright © 2013 Hanspub 231 基坑周边地表沉降的监测分析，认为基 坑周 两套 对独 力，且随开挖纵向长度增加、开挖深度增加呈波动变 化。环境温度明显变化和强降雨等因素对支撑轴力的 影响明显。邻近基坑的支撑架设与拆除对支撑轴力有 较大影响。 3) 通过对 边地下水位变化是影响地表沉降的主因，及时架 设支撑、尽快完成底板结构、减少基坑暴露时间在控 制围护体位移的同时能有效控制地表沉降。 4) 复杂地质条件下大型深基坑建设，建立 相[ 立的监测系统非常必要，可以充分提高所采集数 据的使用效率，增加对数据的置信程度，同时两套系 统对不同时段的数据采集可以形成有效的补充，尤其 对可能出现的重大隐患预警信息更为有效可靠，为工 程平稳安全建设提供重要保障。 参考文献 (References) [1] 刘建航, 侯学渊. 基坑工程手册[M]. 北京: 中国建筑工业出 版社, 1997. 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